카 메이커는 품질 향상을 위해 부품 납품업체에게 소음 준수 기준을 제시하고 있으며, 소음 발생을 최소화하는 설계 및 개발 기술 그리고 양산제품에 대한 소음 평가를 요구하고 있다. 한일프로텍이 소음 분석 방법과 게펠(Goepel electronics)의 SoundChecker 툴을 소개한다. 


자동차에는 소음을 발생시키는 요소들이 수없이 많이 존재한다. 도어, 시트, 캠 샤프트, 베어링, ABS 모터, 각종 전기 모터 등이 그러한 예가 되며, 대부분의 경우 회전 또는 선형 동작을 하는 기계 부분이다(그림 1a ~ 1c).




자동차 제조사(OEM)는 품질 향상을 위해 부품 납품업체에게 소음 준수 기준을 제시하고 있으며, 소음 발생을 최소화하는 설계 및 개발 기술 그리고 양산제품에 대한 소음 평가를 요구하고 있다. 진동(Vibration) 또는 음향(Acoustic) 센서를 통해 수집된 데이터는 필터를 거친 다음 적절한 분석 기법을 통해 부품의 결함 여부를 판단하게 된다. 특정 부품의 소음을 유발시키는 원인으로는 ▶웅웅 울리는 소리(roaring) ▶삐걱거리는 소리(screeching) ▶긁히는 소리(grinding) ▶탕탕 치는 소리(pounding)와 같은 노이즈 유형이 있다. 그리고 노이즈 특성 및 특정 부품의 결함 여부를 분석하는 데는 다양한 분석 방법이 사용된다.

FFT 스펙트럼 
진동이나 음향과 같은 파형은 여러 개의 Sine 함수가 합쳐 생성된다. 주파수 스펙트럼은 진폭-주파수의 관계를 보편적으로 보여주는 방법이다. 특정 주파수 성분의 진동값이 상승하거나 없었던 주파수 성분의 진동값이 나타나는 경우, 결함이 발생 또는 진행된다는 것을 나타낸다. PC에 사용되는 냉각 팬에서 발생하는 소음을 예를 들어 분석해보면, 소음은 팬이 일정한 속도로 회전할 때 팬을 구성하는 요소(회전축 Shaft, 팬 날개 Blade, 코일 Coil)에 의해 발생한다. 이 때 주파수 분포를 보면, 날개의 진동 주파수는 모터 축의 7배, 코일은 4배가 되는 것을 확인할 수 있다. 모터에서 센서를 통해 수집할 수 있는 데이터는 이러한 파형의 집합이다(그림 2). 검사하려는 부품의 구조가 복잡하거나 가동조건이 단순하지 않을 경우 FFT 스펙트럼을 가지고는 노이즈 발생 경위를 찾기가 어려워진다. 예를 들어 팬에서 회전수가 수시로 변할 경우 주파수 특성과 팬 구성요소와의 상호관계를 명확하게 확인하기 어렵다(그림 3).



하모닉 스팩트럼(Order Spectrum) 
팬 날개의 회전수는 모터 축의 7배수, 코일은 4배수의 하모닉(배수성) 특성을 가지고 있어 스펙트럼 분석결과를 그림 4와 같이 x-좌표에 기본 주파수, 즉 모터 축 주파수의 배수와 y-좌표에 진폭(Amplitude)의 관계를 표시하면 소음의 피크도 하모닉 스펙트럼에서 확인할 수 있어 소음의 원인을 분석하는데 도움이 된다.



Octave/3 Octave 스펙트럼
사람의 청각 범위 주파수 대역(20 Hz ~ 16 kHz)을 8(Octave)/24 등급으로 구분해 소음이 높은 주파수 구역을 찾아내는 방법이다. Octave는 사람의 주파수 분해능과 유사하기 때문에 소음 또는 진동분석에 많이 활용되고 있다.
그림 5의 Octave 스펙트럼에서는 500 Hz(352 Hz ~ 704 Hz) 주파수 구역의 소음 수위가 제일 높은 것을 보여준다. 한 연구결과에 따르면 51개의 노이즈를 과학적으로 구분했다[3]. 노이즈의 특성에 따라 분석 방법도 달라지며, 산업현장에서 다양한 분석방법을 선택적으로 손쉽게 사용할 수 있도록 소음 분석장비들이 개발돼 있어 소개하려고 한다.



SoundChecker™/ Goepel electronic
SoundChecker™는 진동 또는 소음을 측정하는 USB 하드웨어와 수집한 데이터를 분석하는 소프트웨어로 구성된다.

Hardware
- 주파수 측정범위: 5 Hz ~ 22 kHz
- 신호 레벨: ~ 110 dB
- 샘플링 속도: 51.2 Sample/s
- 분해능: 24 Bit
- 최대 4ch의 센서 사용 가능

Software
▶ 데이터 모니터링(그림 7)
- 센서를 통해 수집된 측정값(Raw Data) 실시간 확인
- High Band, Mid Band, Low Band 주파수 대역 별 진폭(Amplitude) 확인
- 설정치의 초과 여부 판별을 통한 Test Pass/Fail 판단

▶ 주파수 스펙트럼 분석
- Spectrogram(그림 8a)          - 3D 그래프(그림 8b)





▶ FFT 주파수 분석
소음의 파형은 하나의 기본주파수와 기본주파수의 여러 배수 즉 Sine 함수의 합성으로 해석될 수 있다. 아무리 복잡한 잡음처럼 보이는 신호라도 결국 단순한 정현파의 신호들이 무한대로 합성된 결과로 해석할 수 있다. 이렇게 하나의 신호를 무한대의 주파수 성분의 신호로 분해해 그 결과를 그림 9와 같이 x-축에 주파수, y-축에 소음의 진폭을 그래프로 나타낸 것이 FFT 주파수 스펙트럼이다.

▶ Octave 분석
주파수 대역별로 소음의 진폭을 실시간으로 보여주며, 진폭이 정의된 설정치 초과여부에 따라 테스트 Pass/Fail을 판별 할 수 있다(그림 10).



▶ Calibration
센서 자체에서 발생하는 노이즈와 프리앰프(Pre-Amplifire)에서 증폭되는 노이즈를 제거하기 위해 센서를 사용하기 전 Calibration 작업이 필요하다.
Calibration 창에서 센서신호, 신호 분포, Calibration 결과를 확인하면서 다음과 같은 파라미터 설정이 이뤄진다(그림 11).
- Calibration 설정치        
 - Calibrator 주파수         
- 저장 데이터 메모리 사이즈




TESSY acoustics / Goepel electronic
소음측정 및 분석뿐만 아니라 소음측정을 위하여 필요한 환경까지 제어하며, 분석기능 및 하드웨어 구성이 소비자 요청에 따라 제작되는 소음 진동 측정 시스템이다(그림 12).  AE

AEM_Automotive Electronics Magazine